![Real-space periodiek potentieel in magisch-hoek gedraaide dubbellaagse grafeen afgebeeld met scanning tunneling microscoop. De inzet toont het belangrijkste resultaat van het onderzoek: naarmate er meer elektronen, geïllustreerd door pijlen, worden toegevoegd aan dubbellaags grafeen, vanwege sterke elektronische correlaties, verandert de topologie van de elektronische banden analoog aan het toevoegen van gaten in de bol. Krediet: Stevan Nadj-Perge Speciaal georiënteerde gedraaide dubbellaagse grafeen herbergt topologische elektronische toestanden](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800a/2021/speciallyori.jpg)
Real-space periodiek potentieel in magisch-hoek gedraaide dubbellaagse grafeen afgebeeld met scanning tunneling microscoop. De inzet toont het belangrijkste resultaat van de studie: naarmate er meer elektronen, geïllustreerd door pijlen, worden toegevoegd aan dubbellaags grafeen, vanwege sterke elektronische correlaties, verandert de topologie van de elektronische banden in analogie met het toevoegen van gaten in de bol. Krediet: Stevan Nadj-Perge
Een vel van magisch-hoek gedraaide dubbellaagse grafeen kan nieuwe topologische fasen van materie herbergen, heeft een studie onthuld.
Magisch-hoek gedraaid grafeen, voor het eerst ontdekt in 2018, is gemaakt van twee vellen grafeen (een vorm van koolstof die bestaat uit een enkele laag atomen in een honingraatachtig roosterpatroon), bovenop elkaar gelaagd, met één vel precies gedraaid 1,05 graden ten opzichte van de andere. De resulterende dubbellaag heeft ongebruikelijke elektronische eigenschappen: er kan bijvoorbeeld een isolator of een supergeleider van worden gemaakt, afhankelijk van het aantal elektronen dat wordt toegevoegd.
De ontdekking lanceerde een nieuw onderzoeksterrein naar gedraaid grafeen met een magische hoek, bekend als “twistronics”. Bij Caltech was Stevan Nadj-Perge, assistent-professor toegepaste natuurkunde en materiaalkunde, een van de onderzoekers die de leiding hadden: in 2019 brachten hij en zijn collega’s direct een beeld van de elektronische eigenschappen van magisch-hoek gedraaid grafeen op atomaire-lengteschalen; en in 2020 toonden ze aan dat supergeleiding in gedraaid dubbellaags grafeen kan bestaan weg van de magische hoek wanneer het wordt gekoppeld aan een tweedimensionale halfgeleider.
Nu hebben Nadj-Perge en zijn collega’s ontdekt dat twisted bilayer graphene met magische hoeken ook onverwachte topologische kwantumfasen heeft. Een paper over het werk verschijnt in het nummer van 18 januari Natuur.
Wat zijn topologische kwantumfasen en waarom zijn ze belangrijk? Traditioneel worden materialen geclassificeerd als isolatoren, die de stroom van elektronen belemmeren en dus geen elektriciteit geleiden; metalen, die elektriciteit goed geleiden; en halfgeleiders, die elektriciteit geleiden tussen metalen en isolatoren.
Wanneer echter sterke magnetische velden worden toegepast op de verschillende soorten materialen, wordt het gedrag van elektronen erdoorheen gewijzigd, waardoor andere mogelijke toestanden ontstaan - of topologische kwantumfasen. Onder sterke magnetische velden kan bijvoorbeeld het grootste deel van een materiaal isolerend worden, terwijl de oppervlakken (of randen, in het geval van een tweedimensionaal materiaal) sterk geleidend zijn. Theoretisch zouden topologische kwantumfasen vele toepassingen kunnen hebben, ook bij de verwerking van kwantuminformatie.
In het nieuwe werk gebruikten Nadj-Perge en collega’s scanning tunneling microscopie om direct beeld van gedraaid dubbellaag grafeen met atomaire resolutie, en ontdekten dat de sterke interacties tussen elektronen in gedraaid dubbellaag grafeen de opkomst van deze topologische fasen mogelijk maken zonder de noodzaak van een sterk magnetisch veld. Ze bestudeerden ook grafeen gedraaid naar alternatieve hoeken, maar ontdekten dat de nieuwe topologische fasen alleen aanwezig waren in de magische hoek.
“De ontdekking van topologische fasen in magisch-hoek gedraaide dubbellaagse grafeen opent weer een nieuw hoofdstuk over dit verbazingwekkende materiaal en brengt ons dichter bij het begrijpen van de elektronische eigenschappen ervan.” zegt Nadj-Perge, corresponderende auteur van het artikel. “Het belangrijkste is echter dat onze bevindingen ook wijzen op nieuwe manieren om topologische fasen te construeren die in de toekomst kunnen worden nagestreefd.” Deze materialen zouden in theorie vele toepassingen kunnen hebben; bepaalde excitaties van topologische fasen zouden bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt om informatieverwerking in toekomstige kwantumcomputers uit te voeren.
Hun paper is getiteld “Correlatiegestuurde topologische fasen in magisch-hoek gedraaide dubbellaagse grafeen.”
Youngjoon Choi et al. Correlatiegestuurde topologische fasen in magische hoek gedraaide dubbellaag grafeen, Natuur (2021). DOI: 10.1038 / s41586-020-03159-7
Natuur
Geleverd door California Institute of Technology